地铁矿山法区间隧道结构设计指南_图文

1、北京地铁矿山法区间隧道结构设计计算指南 (试用北京市轨道交通建设管理有限公司二 六年十二月验收文件之三前 言根据北京城市轨道交通矿山法修建区间隧道的地层、地面环境和埋深等 实际条件,以及多年的设计施工经验,针对矿山法区间隧道设计检算中有关 地层压力、计算模型、计算参数等不统一或不明确状况,在 地铁设计规范 (GB50157-2003基础上,吸纳“北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法”研 究成果, 编制了 北京地铁矿山法区间隧道设计计算指南 , 供北京轨道交通 建设设计参考。本指南主要起草人:罗富荣、 朱永全、 陈 曦、 张成满、 王占生、 宋玉香、 贾晓云、李宏建、徐凌等。编 者 2006年 1

2、2月目 录1 总则 ················································&#

3、183;··································· 12 设计计算技术指标 ············&

4、#183;·················································&

5、#183;··· 23 设计计算荷载 ············································&#

6、183;··························· 4 3.1 荷载分类和荷载组合 ···················

7、83;······································ 4 3.2 地层压力 ·········

8、83;·················································

9、83;············ 5 3.3 地面车辆荷载引起的附加压力 ··································

10、············ 6 3.4 地震荷载 ····································

11、···································· 7 3.5 水压力 ············&

12、#183;·················································&

13、#183;············ 7 3.6 邻近地面设施及建筑物压力荷载 ·································

14、83;········· 8 3.7 人防荷载 ······································

15、83;································103.8 其它荷载 ···············

16、3;·················································

17、3;·····104 初期支护设计计算 ··········································

18、83;······················10 4.1 一般规定 ·························

19、83;·············································11 4.2 初期支护结构检算模型 ·

20、83;·················································

21、83;··114.3 初期支护强度检算方法 ············································

22、3;·········135 二次衬砌设计计算 ······································

23、83;························ 146 5.1 一般规定 ·······················&

24、#183;···············································16 5.2 计算方法 &

25、#183;·················································&

26、#183;····················16 5.3 衬砌结构温度伸缩缝 ··························&#

27、183;······························19条文说明 ··················&

28、#183;·················································&

29、#183;············241 总则 ····································

30、············································242 设计计算技术指标 ····

31、;··················································

32、;········253 设计计算荷载 ········································

33、····························254 初期支护设计计算 ····················

34、;··········································305 二次衬砌设计计算 ·····

35、3;·················································

36、3;······321 总则1.0.1地下铁道区间主要构件设计使用年限为 100年。根据承载能力和正常使用要求, 采取有效措施,保证结构强度、刚度,满足结构耐久性要求。1.0.2 结构设计计算应满足施工、运营、城市规划、环境保护、防水、防火、防迷流、 防腐蚀和人民防空的要求。1.0.3 矿山法区间隧道结构按结构“破损阶段”法,以材料极限强度进行设计。1.0.4 设计中除参照本指南外, 尚应符合 地铁设计规范 (GB50157-2003等国家现行 的有关强制性标准的规定。1.0.5 本指南适用范围:第四纪地层中的矿山法标准单线区间隧道。

37、 12设计计算技术指标2.0.1地下铁道区间隧道为地铁的主体结构工程,防水等级为二级,耐火等级为一级。2.0.2 隧道结构的抗震等级按三级考虑,根据北京地区地震烈度区划图 (50年超越概 率 10% ,隧道结构抗震设防基本烈度为 7度或 8度。2.0.3衬砌结构按上级批复的人防抗力标准进行验算。2.0.4结构设计在满足强度、 刚度和稳定性的基础上, 应根据地下水水位和地下水腐蚀 性等情况, 满足防水和防腐蚀设计的要求。 当结构处于有腐蚀性地下水时应采取抗侵蚀措 施,混凝土抗侵蚀系数不低于 0.8。2.0.5在永久荷载和可变荷载作用下, 二类环境中二次衬砌 结构裂缝宽度 (迎土面 应不 大于 0

38、.2mm ,一类环境 (非迎土面及内部混凝土构件 衬砌结构的裂缝宽度均应不大于 0.3mm 。 当计及地震、人防或其他偶然荷载作用时,可不验算结构的裂缝宽度。2.0.6矿山法区间隧道施工 地面沉降控制标准 应根据环境条件认真分析确定。 一般路面 下宜控制在 30mm 以内, 当穿越重要地面建筑物或地下管线时,上述数值应按照允许的 条件确定。2.0.7 混凝土和钢筋混凝土结构中所用混凝土的极限强度应按表 2-1采用。 区间隧道内 层衬砌采用钢筋混凝土时其混凝土强度等级不应低于 C30,抗渗等级不低于 S8,同时应 满足其抗冻、抗渗和抗侵蚀性等耐久性相关要求。 2.0.8混凝土的弹性模量应按表 2

39、-2采用。 混凝土的剪切弹性模量可按表 2-2数值乘以 0.43采用。混凝土的泊松比可采用 0.2。 2 2.0.9钢筋强度和弹性模量按表 2-3采用。 2.0.10支护喷射混凝土的强度等级不得小于 C20。 C20喷射混凝土的极限强度可采用:轴心抗压 15 MPa,弯曲抗压 18 MPa,抗拉 1.3 MPa,弹性模量为 21GPa (注:喷射混凝土 的强度等级指采用喷射大板切割法,制作成边长为 10cm 的立方体试块,在标准条件下养 护 28d ,用标准试验方法所得的极限抗压强度乘以 0.95的系数 。 33 设计计算荷载3.1荷载分类和荷载组合3.1.1隧道结构设计荷载类型及名称应按表

40、3-1采用。 (2表中所列荷载未加说明者,可根据国家有关规范或根据实际情况确定;(3施工荷载包括:设备运输及吊装荷载,施工机具及人群荷载,施工堆载,相邻施工的影响等荷载。3.1.2 确定荷载的数值时,应考虑施工和使用过程中发生的变化。3.1.3结构设计时应按结构可能出现的最不利工况组合进行计算。 可能出现的荷载组合 有基本组合、 长期效应组合、 抗震偶然组合和人防偶然组合。 荷载组合形式如表 3-2所示。 4 53.2 地层压力3.2.1 竖向均布压力-+<-+=1211311213 1( 1(D h K D K K D D h D K h K K h D h h v (3-1式中 地层

41、重度,为上覆地层重度加权平均值, iih h=;i 、 i h 第 i 层地层重度和厚度。h 隧道上覆地层厚度; D 开挖断面宽度;D 1竖向土压力保持不变的起始深度, 1312121K K K K D -=。其中, 1212 45(tan tan a K -=; 1245tan(tan 21a c K -=; 245tan(21-+=t H D a ; D K D K K D K K 212131-+=;上覆地层内摩擦角加权平均值, i ih h=;i 第 i 层地层内摩擦角。c 上覆地层内聚力加权平均值, i i c h c h=;i c 第 i 层地层内聚力。t H 断面高度。竖向荷载与

42、隧道埋深的关系如图 3-1曲线所示。 3.2.2 侧向均布压力21( (45 22v t e H tg =+- (3-2式中 v 洞顶地层的垂直压力;隧道开挖高度内各地层内摩擦角的层厚加权平均值; 其他符号同前。 63.3 地面车辆荷载引起的附加压力3.3.1 竖向压力在道路下方的地下结构, 地面车辆及施工荷载可按 20kPa 的均布荷载取值, 并不计冲 击压力的影响。3.3.2 车辆荷载的侧向压力地面车辆荷载传递到地下结构上的侧压力 ox p ,可按下式计算:oz a ox p p = (3-320452a tg =- (3-4式中 a 侧压力系数其它符号意义同前。3.4 地震荷载在衬砌结构

43、横截面和沿结构纵轴方向的抗震设计和抗震稳定性检算中采用地震变形 法, 即以隧道所在位置的地层位移作为地震对结构作用的输入。 在北京地区隧道结构抗震 设防基本烈度为 7度或 8度条件下, 地震偶然荷载值 (或影响程度 小于按上级批复人防抗 力标准的人防偶然荷载。因此,在计入人防偶然荷载时,可不验算地震偶然荷载。等代的静地震荷载包括:结构本身和洞顶上方土柱的水平、 垂直惯性力以及主动土压 力增量。水平地震荷载可分为垂直和沿着隧道纵轴两个方向进行计算。 由于地震垂直加速度峰h1图 3-1 地层竖向压力计算图式2K 7值一般为水平加速度的 1/22/3,而且也缺乏足够的地震记录,因此对震级较小和对垂直

44、 地震振动不敏感的结构, 可不考虑垂直地震荷载的作用。 只有在验算结构的抗浮能力时才 计及垂直惯性力。3.5 水压力一般静水压力可使隧道结构内力的轴向力加大, 对抗弯性能差的混凝土结构来说, 相 当于改善了它的受力状态; 但高水位时, 对侧墙和底板的某些截面的受力也可能产生不利 影响, 因此, 计算静水压力时应分别按可能出现的最高和最低水位考虑。 而验算隧道结构 的抗浮能力时,按可能出现的最高水位考虑。计算静水压力时, 两种方法可供选择, 一种是和土压力分开计算; 另一种是将其视为 土压力的一部分和土压力一起计算。偏于安全,对于砂性土、粘土地层 (含粉质粘土 采用 水土分算。水土分算时, 地下

45、水位以上的土采用天然重度 , 水位以下的土采用有效重度 '计算 土压力, 另外再计算静水压力的作用。 水土合算时, 地下水位以上的土与水土分算时相同, 水位以下的土采用饱和重度 s 计算土压力,不计算静水压力。其中土的有效重度 '为:w s -=' (3-5式中, w 水的重度,一般 3kN/m10=w 。 两种计算静水压力的方法的差异示于图 3-2中。3.6 邻近地面设施及建筑物压力荷载隧道穿越或邻近地面高大建筑物时, 应考虑邻近地面建筑物地基应力荷载所引起的附 加荷载。按土力学理论,假定地基为各向同性半无限体, 在不同地面荷载作用下,地基中(b水土合算(a水土分算

46、图 3-2 两种计算静水压力方法 8任一点所引起的附加应力,以布内斯克 (Boussinesq解为基础推导求解。矩形面积均布荷载作用下,土中任一点 N 的 z 已有解析解,但公式计算比较复杂, 计算时常用图表来进行。边长为 a 、 b 的矩形面积均布荷载作用时, 矩形角点下深度 Z 点 (如图 3-3(a所示 的附 加应力 z 为:p k z = (3-62(, a zk f b b =式中 a 、 b 面积荷载的长和宽;Z 待求点深度; p 均布荷载值;k 矩形面积均布荷载角点下的应力系数,如表 3-3所示。矩形面积均布荷载下,土中任一点 N (如图 (3-3(b、 (c所示 的附加应力可用

47、叠加原 理求得。如图 3-3(b所示,为求矩形 (a ×b 面积荷载中心 Z 点的 z ,可把矩形面积分成四 等分,先由表 3-3找四分之一面积角点下的应力系数 5. 02, 5. 05. 0(bzb a f k =,则中心点下 z 为 p bzb a f z = 5. 02, 5. 05. 0(4。又如图 3-3所示,为求矩形面积外任意点 M 下的 z ,可按图上 虚线过 M 点分成若干面积,则 M 点下的 z 可由几个矩形面积角点下的 z 相叠加而成, 即p k k k k M M M M z +-= (584674523613 (3-7式 (3-7中 k 的脚标表示所代表的面积

48、,如 613M k 表示矩形面积 13M 6的角点应力系数,图 3-3 矩形均布荷载角点下和任一点下的应力 (a 角点下应力; (b 中点下应力; (c任一点下应力(a(b(c按每个面积的长边和短边比及深度和短边之比,由表 3-3中查得。用表时要注意表中之 b 永远代表短边。 3.7人防荷载区间隧道结构人防荷载按 人民防空工程设计规范 (GB50225-95中地道、 坑道式人 防工程结构荷载、结构动力计算等有关规定计算确定。3.8其它荷载正常施工条件下, 区间隧道结构可忽略地铁车辆荷载及其制动力作用、 温度变化及混 凝土收缩徐变作用、人群荷载、施工荷载及设备重量作用。 9 104 初期支护设计

49、计算4.1 一般规定4.1.1 矿山法隧道 初期支护设计参数可采用工程类比法确定 ,施工中通过监测进行修 正,并应通过理论验算。4.1.2 矿山法隧道在预设计和施工阶段, 应对初期支护的稳定性进行判别。 初期支护施 工阶段的稳定性,可 按支护结构实际总位移 U 与极限位移 U 0比较,并结合位移发展趋势 进行判别。当 U U 0时,隧道稳定;当 U >U 0时,隧道不稳定。极限位移 U 0应根据地层条件、断面特征及施工方法等因素分析确定。4.1.3 矿山法隧道初期支护应考虑能承受施工期间的全部荷载, 并对控制地层变形起主 要作用。4.2 初期支护结构检算模型4.2.1 矿山法地铁隧道埋深

50、浅, 水、土作用荷载较为明确,初期支护结构厚度较大,隧 道初期支护后独立承受上覆地层压力作用时间较长,因此, 常用的“荷载-结构”和“地 层-结构”两种计算模式均可采用。4.2.2 检算初期支护强度时,宜采用相对简单的“荷载-结构”计算模式。4.2.3 初期支护结构强度检算时, 应考虑地层对初期支护结构变形的约束作用。 按局部 变形理论, 约束作用力 p 为其向地层方向产生的位移 与地层弹性抗力系数 k 的乘积, 即:k p = (4-1式中 k 地层的弹性抗力系数 (MPa/m,可用地质勘察部门提供的基床系数代替。当无地质勘察基床系数时,可按表 4-1所列基床系数平均值采用。4.2.4 检算

51、初期支护后地层变形及支护刚度时, 宜采用“地层-结构” 计算模式。在分 析施工过程中的地层变形情况时,还应考虑超前支护和超前加固的作用。4.3初期支护强度检算方法4.3.1计算荷载采用“荷载结构” 模型时, 作用在初期支护上的荷载有永久荷载中的地层压力、 结 构自重,和可变荷载的地面车辆荷载及其动力作用,不计水压力、偶然荷载等其他荷载。 4.3.2计算图式初期支护结构按弹性支承链杆图式计算, 将计算断面划分为 40 60个直梁等分单元, 拱部 90°120°(自动试算确定 范围不设弹性链杆, 侧边加水平链杆, 底边加竖直链杆。 11 12对于墙脚为圆角形支护,圆角处各节点同

52、时采用水平链杆和竖直链杆,计算图式如图 4-1所示。4.3.3 截面强度检算方法根据初期支护格栅钢架网喷混凝土或无钢架喷混凝土结构情况, 参照 铁路隧道设计 规范 (TB10003-2005, 按破损阶段法进行检算。4.3.4 当初期支护采用无钢架喷射混凝土、 厚度在 25cm 以上并按 4.3.2节计算图式视为 偏压构件计算初期支护内力时, 喷混凝土矩形截面轴心及偏心受压构件的抗压强度应按下 式计算:a KN R bh (4-2式中 a R 初期支护喷射混凝土的抗压极限强度,按 2.9节规定采用; K 安全系数; N 轴向力 (N; b 截面的宽度 (m; h 截面的厚度 (m;构件的纵向弯

53、曲系数,对于隧道支护可取 1=; 轴向力的偏心影响系数,按表 4-2采用。0(2表中 30200 /(44. 15 /(569. 12 /(648. 0000. 1h e h e h e +-+= 图 4-1 圆角型断面计算图式 13从抗裂要求出发,混凝土矩形截面偏心构件的抗拉强度应按下式计算:1. 7561L R b hKN e h- (4-3式中 L R 喷射混凝土抗拉极限强度,按 2.9节规定采用;0e 截面偏心距;其它符号意义同前。注:计算表明,对混凝土矩形截面构件,当 00.20e h 时,系抗压强度控制承载力。4.3.5 格栅钢架喷射混凝土初期支护每延米支护结构的钢筋量换算成钢筋混

54、凝土矩形 截面,按 5.2.5节钢筋混凝土结构检算方法计算。4.3.6 初期支护截面安全系数。 初期支护作为独立承载结构的作用时间相对较短, 重要 性程度也相对较低。根据铁路隧道设计规范 (TB10003- 2005 素混凝土或钢筋混凝土 结构强度安全系数规定,如表 4-3和表 4-4所示,采用施工阶段强度安全系数。 145 二次衬砌设计计算5.1 一般规定5.1.1 复合式衬砌的二次衬砌应按主要承载结构设计, 应承受使用期的全部荷载, 其设 计参数可采用工程类比法确定,并应通过理论验算。 5.1.2 作用在复合式结构上的水压力由二次衬砌承担。5.2 计算方法5.2.1 矿山法区间隧道复合式结

55、构在第四纪土层中的浅埋复合式结构, 二次衬砌与初期支护共同承担着外荷载。 考虑到 支护与二次衬砌复合结构计算模型较为复杂, 为使计算工作简单, 按二次衬砌承担全部外 荷载 (永久荷载、可变荷载和偶然荷载 计算,并满足相应截面最小安全系数及裂缝宽度检 算要求。5.2.2 衬砌结构按 “荷载-结构”模式计算, 破损阶段法检算结构截面强度,并验算钢 筋混凝土结构裂缝宽度。5.2.3 根据结构特性按表 3-1所示荷载,按不同荷载组合情况计算。5.2.4 考虑地层对衬砌结构变形的约束作用,按局部变形理论式 (4-1计算地层被动压 力。5.2.5 截面强度检算方法钢筋混凝土矩形截面偏心受压构件的计算公式

56、(图 5-1、图 5-2 : 大偏心受压 (055. 0h x 时,其截面强度按下式计算 (图 5-1 :( 2/(00a h A R x h bx R KNe gg w '-'+- (5-1 小偏心受压 (055. 0h x > 时,其截面强度按下式计算 (图 5-2 :(5. 0020a h A R bh R KNe gg a '-'+ (5-2 当轴向力作用于钢筋的重心之间,尚应符合下列要求: 15(5. 0020a h A R h b R e KN g g a -'+'' (5-3 式中 K 安全系数;N 轴向力;b 截面的

57、宽度; h 截面的厚度;0h 截面的有效高度, a h h -=0; 0h '截面的有效高度, a h h '-='0; e 、 e '轴向力作用点到钢筋 g A 、 gA '重心的距离; a 、 a '自 g A 和 gA '钢筋的重心分别至截面最近边缘的距离; w R 混凝土的弯曲抗压极限强度; a R 混凝土的抗压极限强度;g R 钢筋的计算强度;g A 、 gA '受拉、受压钢筋面积。 5.2.6 隧道衬砌按破损阶段检算构件截面强度时, 根据所受的不同荷载组合, 在计算中 应分别选用不同的安全系数,并不应小于表 5-1所列

58、数值。Ak N A g A g 图 5-1 钢筋混凝土大偏心受压构件强度计算图g 图 5-2 钢筋混凝土小偏心受压构件强度计算图A g 165.2.7 裂缝宽度验算永久荷载和可变荷载作用下,二次衬砌结构最大计算裂缝宽度 maxf 应满足 2.5条的要求。考虑裂缝宽度分布不均匀性及荷载长期作用影响后的最大裂缝宽度 max f (cm,可按 下列公式计算:f ggf l E 0. 2max = (5-4+=d l f 06. 06 (5-5 式中 E g 钢筋的弹性模量;裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数;-=M bh R f 2235. 012. 1,当 4. 0<时,取 =0.4; 0.

59、1>时,取 0. 1=; M 永久荷载和可变荷载作用下的弯矩; b 矩形截面宽度;R f 混凝土的极限抗拉强度;h 截面高度;g 纵向受拉钢筋应力,可取 087. 0h A Mg g =;g A 纵向受拉钢筋的截面面积;h 0截面的有效高度, h 0=截面高度 h -保护层厚度 a ; l f 平均裂缝间距 (以厘米计 ;d 纵向受拉钢筋的直径 (以厘米计 ,当用不同直径的钢筋时,公式 (5-5中 d 改为换算直径 s A g /4(s 为纵向受拉钢筋总周长 ;纵向受拉钢筋配筋率, 0bh A g =; 17与纵向受拉钢筋表面形状有关的系数, 对螺纹钢筋, 取 0.7=; 对光面钢筋,取

60、 1.0=;对冷拔低碳钢丝,取 1.25=。当采用级钢筋作纵向受拉钢筋时,应将计算求得的最大裂缝宽度乘以系数 1.1(注:如有可靠的设计经验或构造措施时,式 (5-4中的系数 2.0可适当减小 。5.3 衬砌结构温度伸缩缝(1 温度应力基本方程取如图 5-3所示的一维线形结构,左端固定, 右 端 受 弹性约束,在温差 T 的作用下,其一端产生的变 位 为 其自由变位与弹性约束变位之代数和,即:ELTL u z+= (5-6 ET z+= (5-7 式 (5-7为温度变化状态下一维弹性约束结构的应力应变方程。 式中 u 结构端部变位;材料线膨胀系数, C30混凝土线膨胀系数取 1×10

61、-5/; z 结构温度应力;结构应变;T 温差;E 材料弹性模量 (C30混凝土取 31GPa 。由于受隧道内热环境的影响, 衬砌壁面温度处于不断变化状态, 温差主要体现在:长 期运营洞内温度逐年递增;昼夜洞内环境温差和季节变化引起的洞内空气温差。图 5-4、 5-5分别为冬季和夏季测试期间,北京市轨道交通建设管理有限公司对北京地铁 1、 2号 线地铁区间隧道内各测试断面的平均空气温度 t a 、平均壁面温度 t w ,以及平均壁面热流 Q w 的实测结果 (佟丽华, 北京地铁 1、 2号线热环境节能控制研究 J, 暖通空调, 2005(35。图 5-4、 5-5可以看出, 实测区段壁面的季节

62、平均温差约 4。 考虑长期运营洞内温度 积累递增,季节平均温差可取 410。(2外部约束应力方程当两种面接触的物体产生相对位移时, 在接触面上必然产生剪切应力, 此时剪切应力 可表示为:图 5-3 一维结构模型 18u C z =- (5-8式中, 接触面上的剪切应力;u 结构水平位移;z C 地基水平阻力系数。二衬在温度变化引起的变形过程中, 外约束主要是混凝土外壁与防水层之间的摩擦作 用。 外约束越强, 结构产生的温度应力越大。 根据 工程结构裂缝控制 (王铁梦著, 1997年 的研究成果,混凝土与软粘土之间水平阻力系数 C z 约 (13×10-2N/mm3;地基为一般 砂质土

63、时, C z 约 (36×10-2N/mm3;坚硬粘土时 (610×10-2N/mm3;风化岩、低强度等级 混凝土时 (60100×10-2N/mm3。在隧道正常运营中,若防水层结构工作状态良好,则 C z 较小,若隧道使用过程中,防水层发生破裂或其它形式的破坏,则相应的 C z 将有所增大。 在计算分析时,为偏于安全, C z 可取 10×10-2N/mm3。(3区间隧道衬砌结构温度应力方程的建立假定区间长度为 L ,二衬结构壁厚为 t ,初支与二衬之间水平阻力系数为 z C ,若坐标 原点设在长度为一半处,则隧道结构约束作用分布如图 5-6所示。沿纵

64、向在任意点 z 处截 取一段 d z 长的微元体,其温度引起的轴向力为 N ,约束剪切力为 Q ,在忽略地层压力的 条件下,结构纵向温度应力可表示为:2/ch ch 1(L zT E z -= (5-9当 z =0时, z 达最大,即2/ch 11(max L T E z -= (5-10隧道结构最大温度应力与温度荷载、 混凝土弹模、 线膨胀系数成正比, 同时还与周边1 3 5 7 9 11 13 152 468 101214 1623 2425 26 2728 29 22风道 隧道温 度 /热 流 /(W /m 2图 5-4 夏季平均温度及热流的实测结果 Q wtt a 58 1114 17

65、 20 23 26 24 6 8 10 12 14 16 18 1 3 4 5 6 7 8 9 1029 图 5-5 冬季平均温度及热流的实测结果距风亭入口的距离 /m风道 隧道温 度 /热 流 /(W /m 2wt wt a 19约束条件以及结构形状、厚度等因素有关。(4设置温度伸缩缝的结构长度计算从隧道通风模式和空调技术角度出发, 优化通风方案和空调手段, 尽量保持洞内环 境温度稳定,将隧道衬砌结构温度变化范围控制在 7以内。设置伸缩缝,防止结构温度应力危害的发生。当温度荷载超过 -8时,可设置合理 的伸缩缝, 降低结构温度应力的量值, 确保隧道结构在长期运营过程中的安全与使用功能。a 隧

66、道计算长度可取 400m 左右。 b 伸缩缝间距根据设防季节温差和衬砌与防水板间摩阻系数, 按前述方法计算确定。 表 5-2为不同 设防温差和水平阻力系数条件下的伸缩缝间距参考值。c 伸缩缝合理缝宽伸缩缝的设置宽度与伸缩缝两端 (自由端 的位移有关,一般取自由端水平位移值的 2倍。若伸缩缝设置宽度取端部计算位移的 2倍, 则在 812温差时,伸缩缝的设置宽度 应在 610mm ,考虑到施工误差,建议伸缩缝缝宽取 2030mm 。yzQNN +dN图 5-6 计算模型示意t北京地铁矿山法区间隧道结构设计指南条文说明本条文说明系对重点条文的编制依据、存在的问题以及在执行中应注意的事项等予以 说明。

67、为了减少篇幅,只列条文号,未抄录原条文。1总则1.0.11.0.2关于设计使用年限,设计指导思想、考虑环境影响为原则。有些是针对 本指南的特点,有些是为使本指南条文内容完整,参照地铁设计规范提出。1.0.3地铁设计规范 10.1.6条规定“地下结构的设计,应根据施工方法、结构或 构件类型、使用条件及荷载特性等,选用与其特点相近的结构设计规范和设计方法,结合 施工监测逐步实现信息化设计” 。 相近的 混凝土结构设计规范 (GB50010-2002采用概率 极限状态法, 铁路隧道设计规范 (TB10003-2005对一般地区单线铁路隧道整体式衬砌及 洞门、单线铁路隧道偏压衬砌及洞门、单线铁路拱形明

68、洞衬砌及洞门结构的设计采用概率 极限状态法,其他类型隧道结构按破损阶段法设计。 混凝土结构设计规范是适用于工 业与民用房屋和一般构筑物的国家标准,但与之配套的国家标准建筑结构荷载规范只 对各种地面结构的荷载和荷载组合系数作出规定,尚缺地下结构的荷载及荷载组合系数, 故无法直接用于地铁设计中。由于目前尚缺乏地下铁道隧道所处地层物理力学参数及统计 特性、 各种荷载、 地层与结构相互作用数值及统计特征值, 难以采用概率极限状态法设计, 故目前地下铁道矿山法区间隧道暂按“破损阶段法”设计。1.0.41.0.5强调了设计中除参照本指南外, 尚应符合 地铁设计规范 (GB50157-2003等国家现行的有

69、关强制性标准的规定。明确了本指南是针对北京地铁第四纪地层中的矿山 法区间单线隧道具体情况制定的。第三纪或其它地层中的矿山法区间隧道可参考本指南。 2设计计算技术指标2.0.12.0.5为使本指南条文内容完整,参照地铁设计规范提出。2.0.6按北京市地铁设计施工有关规定和北京地铁多年施工实践经验提出。 20 212.0.72.10 地铁矿山法区间隧道结构按破损阶段法设计时,材料强度应采用极限强 度。本指南采用铁路隧道设计规范 (TB10003-2005按“破损阶段法和容许应力法设计” 的材料性能,包括混凝土极限强度与弹性模量、钢筋强度与弹性模量和喷混凝土极限强度 与弹性模量。3 设计计算荷载3.

70、1 在进行隧道结构设计时应考虑的荷载类型均列于指南正文表 3-1中,其中部分永 久荷载、可变荷载和偶然荷载均作了具体规定。其他荷载如混凝土收缩应力、设备重量、 温度变化影响荷载等在矿山法区间隧道中难以涉及,所以未作具体规定。如此类荷载明显 时,在设计中应计入。按“破损阶段法”设计时按不同荷载组合进行计算,但不需要荷载组合系数。 3.2 地层压力 (1关于隧道埋深根据北京地铁四、五和十号线矿山法区间隧道统计资料,隧道覆土埋深 6.019.8m , 平均埋深 12.75m ,如表 1所示。(2 关于不同地层压力公式计算结果地层压力是地下结构所受的主要荷载。 一般情况下浅埋暗挖隧道地层压力随埋深增大

71、 而增加。极浅埋时可按隧道拱顶以上全部土柱重量考虑,而一般浅埋时需考虑土层破裂楔 形体下滑所受的摩擦阻力作用。目前国内外计算地层压力的公式很多,不同地层压力公式 计算结果不一致,图 1所示为以北京地铁十号线矿山法区间标准段隧道断面 (6.0m×6.33m埋深 h竖向荷载2D (12m 2h s图 1 地层压力与埋深的关系 为例,取围岩容重 19 kg/m3,内聚力为 20kPa ,内摩擦角为 20°,岩石坚固系数取 0.8,采 用不同压力公式得出的地层压力值随埋深的变化关系。 由图 1可知,在北京地铁矿山法区间隧道埋深和地层条件下,不同的土层压力理论计 算结果相差明显,并随

72、埋深的增大,其差异更加显著。以全土柱压力最大,泰沙基压力最 小, 比尔鲍曼和谢家烋理论结果居中。 前苏联早期的研究测试结果已表明, 对于软弱地层, 普氏公式结果偏低,而泰沙基公式和普氏公式结果一样,所得结果也偏小;谢家烋考虑的 因素较仔细,但用 0和 表述,一般勘测资料都用 c 、 ,而且 角也是经验公式,应用 不太方便,对于埋深增加时,所得结果偏大。铁路隧道坍方统计公式所依据的资料大多来 自山岭隧道,对城市隧道还不能直接采用。目前的深浅埋划分法还有在交界处地层压力突 22 23然降低等问题。针对这些情况建议在隧道埋深小于隧道开挖跨度时采用全土柱,隧道埋深大于隧道开 挖跨度时采用比尔鲍曼公式。

73、二者采用平顺曲线连接过渡以避免出现陡降。比尔鲍曼公式 在埋置达到一定深度以后曲线出现向下弯曲, 在曲线拐点处用水平切线代替, 此埋深为 D 1。 埋深在 D 1以后视为深埋隧道 (土压力已与埋深无关 。综合上述各种因素,建议了地铁隧道竖向均布压力计算公式。 (3关于建议地层压力公式的检验国内部分城市地铁矿山法隧道施工中的围岩压力实测资料,如表 2所示,实测地层压 力都小于全土柱重量,大部分大于泰沙基理论压力。相比较而言,接近于本指南推荐公式 的压力。 经“北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法”研究课题的大量计算,北京地铁四、五 和十号线矿山法区间隧道支护及衬砌结构采用推荐压力公式检算,安全系数都

74、能满足要 求,且数值合理,表明所推荐的地层压力适用。(4关于地层水平均布压力地层主动水平压力的确定,在浅埋松散地层中多是仿照挡土墙,按朗金理论取水平压力系数 245(tan 2-=来计算,未考虑是否是粘性土或非粘性土。亦有少数人建议用静止土压力计算理论公式:-=10k , 为泊松比; 根据 地下工程设计施工手册 (夏明耀,曾进伦主编 的建议, 静止土压力经验公式 '-=sin 0k , 式中 '为土的有效内摩擦角, 为经验系数,砂土、粉土取 1.0,粘性土、淤泥质取 0.95 ,由于静止土压力公式中系数取 值相对复杂,为简化计算,本指南推荐朗金理论公式。地层压力分布形式,在浅埋

75、松散地层中,地层竖直压力接近于均匀分布,地层水平压力并不均匀,按均匀分布仅是一种近似计算处理。3.3地面车辆荷载及冲击压力对隧道的影响随埋深增大而迅速减小, 北京地铁矿山法 区间隧道埋深一般相对较大,按深度分散计算实际压力数值可能较小。为偏于安全并为简 化计算,地面车辆及施工荷载按 20kPa 取值,不计冲击压力的影响。3.4当前我国地铁隧道横断面的抗震分析多按地震系数法进行。 这一方法的基本出发 点,认为地震对地下结构的作用主要包括两部分:一是结构及其覆盖层重量产生的与地表 地震加速度成比例的惯性力;二是地震引起的主动侧压力增量。地铁设计规范 (GB50157-2003条文说明 10.5.1

76、第 9款认为:“地震系数法用于下面 两种情况较为适宜:一是地下结构与地面建、构筑物合建,即作为上部结构的基础时;二 是当与围岩的重量相比,结构自身的重量较大时 (例如防护等级特别高的抗爆结构 。但是 对于单建的以民用为主要目的的地铁隧道,由于其包括净空在内的单位体积的重量一般都 比围岩重量轻,地震时几乎与围岩一同变形。这时,作为地震对结构的作用,随围岩一同 产生的变形的影响是主要的,惯性力的影响则可忽略不计。以这一概念建立起来的抗震分 析方法称为“反应位移法”或“地震变形法” ,其特点是以地下结构所在位置的地层位移 作为地震对结构作用的输入。 ”对于“地震变形法”抗震分析时如何确定结构所在位置

77、的地层位移值,目前还缺少足 够的资料;矿山法区间隧道在应用“地震系数法”或“地震变形法”抗震分析时,隧道随 埋深的地震效应等也需进一步研究确定。因此,暂用地震系数法进行隧道结构横向与纵向 抗震分析。经大量计算证明,在北京地区隧道结构抗震设防烈度为 7度或 8度条件下,地震偶然 荷载 (或影响程度 小于按上级批复的人防抗力标准的人防偶然荷载。因此,在计入人防偶 然荷载时,可不验算地震偶然荷载。专家认为,由于矿山法区间隧道断面较小,隧道选用带仰拱的曲墙式结构,背后注浆 和二次衬砌采用 C30整体钢筋混凝土等措施,已具备较好的抗震性能,一般情况下可不采 用其它抗震构造措施。3.5、 3.8参照地铁设

78、计规范和北京地铁设计经验确定。3.6关于邻近地面设施及建筑物对地铁结构产生的附加荷载, 目前还没有较简便的计 算方法,本指南推荐按土压力著作中的矩形面积均布作用下附近地层深度处引起的附加应 力计算方法计算。其他地面荷载分布形式,计算比较复杂,本指南省略,具体的计算方法 24详见有关土压力著作 (如土力学刘成宇主编 。3.7关于人防荷载,参照人民防空工程设计规范 (GB50225-95土中地道、坑道式 人防工程结构荷载和结构动力计算等章节的规定计算确定,本指南不再赘述。4初期支护设计计算4.1矿山法区间隧道初期支护是复合式结构的主要承载部分, 应承担施工期间的全部 地层荷载和地面荷载,并具有一定

79、的强度和刚度,对控制地层变形起主要作用,且也应满 足一定耐久性要求。支护后隧道的信息化设计与隧道稳定性判别是隧道技术发展趋势。地铁隧道施工中位 移监测十分正规,积累了丰富的资料,难点是地铁隧道极限位移的确定。矿山法区间隧道初期支护按工程类比法设计,还应经理论验算,这是地铁设计更高要 求的结果。4.2矿山法区间隧道埋深较浅,水土作用荷载较为明确;支护结构厚度较大,独立结 构作用时间较长。因此,应用“荷载-结构”计算模式是简单和可行的。在地面有重要建 筑物或地中埋设物等要求计算地层变形时,应用“地层-结构”计算模式,并参考有关经 验建模和计算结果评价。隧道支护、衬砌结构受力后的变形受到地层的约束,

80、引起地层的约束力,阻止隧道结 构变形的发展,改善结构的工作状态。在北京地铁矿山法隧道中,地层约束作用也是明显 的。 在计算中按局部变形理论进行计算, 地层抗力系数取勘察基床系数。 按北京市地铁四、 五和十号线部分工程地质勘查资料统计,垂直基床系数与水平基床系数值差异较小,设计 中水平基床系数可与垂直基床系数取相同值。4.3采用“荷载-结构”计算模式时,结构被动荷载作用范围可先初定,待计算中自 动试算最终确定。结构被动荷载作用方向应是外轮廓的径向,为简化计算可在墙部设为水 平方向,底部为竖直方向,墙脚处为水平和竖直两方向。根据初期支护的结构形式,即格栅钢架喷混凝土或无钢架网喷混凝土,应分别采用钢 筋混凝土或素混凝土结构截面强度检算方法。当无钢架喷混凝土初期支护较薄时, 由于轮廓不平整, 弹性固定无铰拱的作用不明显, 与传统的整体式衬砌的计算图式相差较大, 更接近于壳, 受力更为复杂。 本指南将其按 4.3.2的图式计算时,限定其运用条件为厚度在 25cm 以上。 25“北京地铁矿山法区间隧道结构设计方法”研究成果介绍,采用“荷载-结构”计算 模式,作用在初期支护结构上的荷载有地层荷载、自重荷载和地面荷载,不计水压力和偶 然荷载,不同埋深地铁十号线矿山法区间隧道标准断面截面的最小安全系数为 4.21,另外 选择了太阳宫站麦子店站区间跨度 12.